缺电！世界最大物理实验室将提前关停，欧洲最先进的科学设施难捱寒冬

2022-10-26 14:10

LHC 隧道内一隅。图片来源：CERN

文章来源 | 科研圈（id：keyanquan）

来源 | Science，Nature，CERN 等

编译 | 魏潇

这个秋天，荷兰射电天文学研究所（Netherlands Institute for Radio Astronomy，ASTRON）面临着科学之外的挑战。该机构运行的低频阵列射电望远镜（Low-Frequency Array, LOFAR）能够观测宇宙中光学仪器无法看到的现象，是 LOFAR 国际团队的中心站点，曾发现过数十万个从未被观测到的星系。这个天文学设施依赖大型计算机集群处理观测数据，每年要消耗 2000 兆瓦时（MWH）的电，相当于 800 户家庭的能耗。

然而，ASTRON 前段日子准备更新下一年的能源采购合同时，却发现可能要付不起过冬的电费了——能源开支飙升到了上一年的 3 倍。如果无法说服国家提供一笔紧急补贴，他们就只能削减天文台的运行时间了。

欧洲的能源危机不仅影响生活用电，高能耗的超级计算机、粒子加速器和激光同步加速器等大型科学设施也面临冲击。能耗规模是 ASTRON 数百倍的欧洲核子研究组织（CERN）已经采取了更直接的措施：提前关停。

根据 CERN 不久前发布的公告，这个世界上最大的物理实验室在收到主要供电公司减轻电网负担的请求后，决定缩短 2022 年和 2023 年的运行时间。今年，CERN 的大对撞机和加速器将提前 2 周，在 11 月 28 日进入技术性关停，次年 2 月恢复；明年，运行时间将再削减 20%，这意味着 2023 年 CERN 的粒子对撞实验在 11 月中旬就要结束了。

耗电巨头如何节能

坐落在法国和瑞士边境的 CERN 建造成本达到 92 亿美元（约合人民币 665 亿元），年耗电量堪比小型城市。官网称其一年可消耗 1.3 太瓦时（TWH）的电，相当于瑞士日内瓦年耗电量的三分之一，可以支持 30 万个英国家庭的生活。该机构的核心装置、27 公里长的大型强子对撞机（LHC）烧掉了 CERN 90% 的电费，而这又要归功于 LHC 的组成部分之一——功率高达 27 兆瓦的液氦低温系统（liquid-helium cryogenic system）。它服务于环形加速装置中用来偏转高能粒子的超导磁体，后者由特殊的 Ni-Ti 导线组成，在接近绝对零度的环境下，这种材料能以比普通铜导线高 100 倍的效率传导电流，以最小的能量损失形成足够强大的磁场，从而控制 LHC 中粒子的方向。

LHC 最近一次关停时对其超导磁体的改造。图片来源：CERN

1954 年 CERN 刚成立时，主要依靠瑞士提供电力。20 世纪 70 年代起，CERN 转接进了法国电网，自此一直依靠法国。幸运的是，法国先进的核电技术令该国三分之二的电力摆脱了传统化石能源的束缚，这令该国在此次因为天然气短缺而导致的能源危机中受影响较小。不幸的是，法国家庭的取暖习惯与依赖天然气的其他欧洲国家不同：他们更习惯使用电加热器，因此每到寒冷季节，用电价格就会翻倍。据悉，该国 56 座核反应堆中有 32 座正在停机维护，法国政府准备在冬天到来之前重启其中的大部分来加强电力供应。

法国三分之二的发电来自核能。图片来源：https://www.rte-france.com/en/eco2mix/power-generation-energy-source

实际上，CERN 已经提前向法国购买了未来数年的电能，但比起电价，他们更担心的是这个冬天法国能否供应得起。此外，LHC 的用电高峰期是每年的 5~12 月中旬，停机维护时间则被安排在冬季，这次提前到 11 月底的关停，让高能耗的 CERN 错开了法国电网负担最重的时候。但是关停并不意味着完全不耗电，加速器的超导磁体需要一直处于低温状态，因此它的液氦冷却系统仍然会消耗一部分能源。CERN 还决定在夜间关闭园区照明，并将建筑物供暖时间推迟一周，尽可能地节省这个冬天的能源消耗。

今年 4 月，LHC 完成了为期三年多的第二轮升级，在万众瞩目下开始了第三轮运行，其总电力成本预计为 8850 万瑞士法郎（约合人民币 6.4 亿元）。缩短运行时间的决定，显然能在电费上涨的当下省一笔钱，但 CERN 认为他们做出这一决定是为了承担起社会责任，节省下的宝贵能源能让更多人取暖。

提前购电≠万无一失

和 CERN 一样提前预购了能源订单的还有德国的电子同步加速器（DESY），但他们面临着一个更尴尬的局面。这家德国最大的加速器中心提前买了 3 年的电，可以覆盖 2023 年能耗的 80%，2024 年能耗的 60%，2025 年能耗的 40%。现在，他们本应填上明年那 20% 的缺口，却发现电价已经涨到了负担不起的水平。

目前，拥有 3000 多名用户的 DESY 正在与德国政府谈判，希望获得额外资金来维持未来的运行，减少对科学进程的损害。新冠疫情期间，德国生物技术公司 BioNTech 利用 DESY 的 X 射线激光装置解析了新冠病毒的结构，并探明了其刺突蛋白结合人类细胞的机制。还有许多科学家依靠该机构的加速器研究太阳能电池所需要的新材料。这些都是社会急需的技术成果。

如果这条路走不通，DESY 将不得不在低功率下运行全球最大的 X 射线激光器和 PETRA III 同步加速器等设备，他们将在本周内进行测试，确定这样操作是否会影响实验结果。最坏的情况下，DESY 不排除像 CERN 一样延长冬季关停时间的可能。

前车之鉴

英国牛津能源研究所（Oxford Institute for Energy Studies）的天然气学者 Jonathan Stern 在接受《科学》（Science）的采访时指出，这次打击整个欧洲的能源危机，主要原因有二。首先，新冠疫情大流行初期饱受打击的世界经济开始在多个地方复苏，但此前关闭的能源设施无法及时满足迅速增加的新需求。其次，今年 2 月俄乌冲突导致的天然气供应紧张，极大影响了欧洲地区的发电和供暖，并将欧洲大陆天然气价格推升至历史均值的 10 多倍。

实际上，早在俄乌冲突前，欧洲就已经有过大科学设施因能源危机而停摆的前车之鉴了。今年 1 月，捷克的能源承包商 Lumius 宣布破产，该国许多大学和研究机构只能以更高的价格从地方供应商购买能源。捷克最强大的超级计算机 Karolina 被迫以三分之一的容量运行，耽误了 1500 多名用户的气候建模和药物发现研究。位于布拉格的欧洲超强激光项目 ELI Beamlines 则被迫关停了数周。

今年 5 月，捷克政府同意帮助这两个大型科学机构，维持运行到 2023 年底。在此之后，它们的命运仍不可知。ELI Beamlines 的副主任担心这个冬天可能颁布的限电措施，会令激光设施再次关闭数月，这甚至会导致研究者在未来一年多的时间里都无法预约和使用。

影响几何

大型科学设施如果彻底关停，重新启动会是一件很有难度的事情。真空抽吸装置关闭后可能会损坏脆弱精密的系统，冷却系统的循环停止后其中的积水可能会导致腐蚀，而那些老旧的电子器件一旦关闭甚至可能再也打不开了。

Stern 预测，目前高昂的能源价格至少需要 2 年才能回落至正常水平。同时，今年冬天的电费峰值将取决于气温的寒冷程度，以及亚洲国家在液化天然气市场上的竞价情况。他认为，现在还无法确定各国是出手维持科研机构的运营，还是优先考虑补贴工业界，但那些大学里的小型实验室恐怕要靠自己度过这次难关了。

也有机构表示短期内不会受到太大的影响。伦敦帝国理工学院（Imperial College London）发言人对《自然》（Nature）表示，校方对“应对挑战的韧性和能力充满信心”。包括英国钻石光源（Diamond Light Source）在内的几个大科学设施的管理层也指出，为了履行净零排放承诺，他们多年前就一直在制定减能计划了。

对于那些原本计划在 12 月上旬使用 LHC 或其他 CERN 加速器的科学家来说，他们的实验只能推迟到明年 2 月 LHC 恢复运行以后。2023 年的使用竞争也将更加激烈。要知道，全世界的物理学家都期待着 3.0 版本的 LHC 能帮我们找到此前未被发现的奇异粒子，重现希格斯玻色子时代的荣光。但即使 CERN 的加速器不运行，世界各地的粒子物理学家也完全不担心没有事做：分析 LHC 产生的海量数据远非一日之功，学者们能在十年前产生的数据中发现隐藏的亚原子伪影，粒子物理学的流动不太可能因为一次能源危机而停止。